近日，由研究员刘静带领的中国科学院理化技术研究所、清华大学医学院联合研究小组，在Advanced Materials上发表了题为Self-Fueled Biomimetic Liquid Metal Mollusk (2015)的研究论文，迅速被New Scientist、Nature研究亮点、Science新闻等数十个知名科学杂志或专业网站专题报道，在国际上引起重要反响和热议。

　　此项研究于世界上首次发现了一种异常独特的现象和机制，即液态金属可在吞食少量物质后以可变形机器形态长时间高速运动，实现了无需外部电力的自主运动，从而为研制实用化智能马达、血管机器人、流体泵送系统、柔性执行器乃至更为复杂的液态金属机器人奠定了理论和技术基础。这是该小组继首次发现电控可变形液态金属基本现象之后的又一突破性发现。这种液态金属机器完全摆脱了庞杂的外部电力系统，从而向研制自主独立的柔性机器迈出了关键的一步。文章被选为期刊内前封面故事，Altmetric计量学数据显示其指数已达71.0，远高于期刊平均值6.7，在同时期论文中则排名No.1。

　　研究揭示，置于电解液中的镓基液态合金可通过“摄入”铝作为食物或燃料提供能量，实现高速、高效的长时运转，一小片铝即可驱动直径约5 mm的液态金属球实现长达1个多小时的持续运动，速度高达5cm/s。这种柔性机器既可在自由空间运动，又能于各种结构槽道中蜿蜒前行;令人惊讶的是，它还可随沿程槽道的宽窄自行作出变形调整，遇到拐弯时则有所停顿，好似略作思索后继续行进，整个过程仿佛科幻电影中的终结者机器人现身一般。应该说，液态金属机器一系列非同寻常的习性已相当接近一些自然界简单的软体生物，比如：能“吃”食物(燃料)，自主运动，可变形，具备一定代谢功能(化学反应)，因此作者们将其命名为液态金属软体动物。这一人工机器的发明同时也引申出“如何定义生命”的问题。目前，实验室根据上述原理已能制成不同大小的液态金属机器，尺度从数十微米到数厘米，且可在不同电解液环境如碱性、酸性乃至中性溶液中运动。试验和理论分析表明，此种自主型液态金属机器的动力机制来自两方面：一是发生在液态合金、金属燃料及电解液间的Galvanic电池效应会形成内生电场，从而诱发液态金属表面的高表面张力发生不对称响应，继而对易于变形的液态金属机器造成强大推力;与此同时，上述电化学反应过程中产生的氢气也进一步提升了推力。正是这种双重作用产生了超常的液态金属马达行为，这种能量转换机制对于发展特殊形态的能源动力系统也具重要启示意义。

　　在迄今所发展的各种柔性机器中，自主型液态金属机器所表现出的变形能力、运转速度与寿命水平等均较为罕见，这为其平添了诸多重要用途。作为具体应用器件之一，论文还特别展示了首个无需外界电力的液态金属泵，通过将其限定于阀座内，可达到自行旋转并泵送流体的目的，据此可快速制造出大量微泵，满足诸如药液、阵列式微流体的输运等，成本极低;若将此类柔型泵用作降温，还可实现高度集成化的微芯片冷却器;进一步的应用可发展成血管或腔道机器人甚至是可自我组装的液态金属智能机器等。

　　刊载上述首创性发现的文章在线发表后，短时间内即引起世界范围内众多科学杂志、专业网站和新闻媒体的高度重视。New Scientist在第一时间以文章和精心制作的视频进行了报道：《液态金属朝可变形机器人迈进一步》(Liquid metal brings shape-shifting robot a step closer)，指出其“将成为今后电影中人工生命的种子”;Nature杂志在其研究亮点栏目以《液态金属马达靠自身运动》(Liquid metal motor moves by itself )为题进行了报道;Science网站发布观察文章和视频：《可变形金属马达拥有一系列用途》(Shape-shifting metal motor has a variety of uses);路透社也对此进行了专门报道。据初步统计，文章发表两周左右即已有数百个科学或专业网站对此进行了评介和转载，说明了该项研究工作的影响。

　　自驱动液态金属机器的问世引申出了全新的可变形机器概念，将显著提速柔性智能机器的研制进程。当前，全球围绕先进机器人的研发活动正处于如火如荼的阶段，若能充分发挥液态金属所展示出的各种巨大潜力，并结合相关技术，将引发诸多超越传统的机器变革。刘静小组关于液态金属自驱动效应和相应机器形态的发现，为今后发展高级的柔性智能机器人技术开辟了全新途径，具有十分重要的科学意义和实际应用价值。

　　中国可变形液态金属基础发现为研制柔性机器开启全新途径

　　早在2014年，清华大学医学院生物医学工程系刘静教授小组联合中科院理化技术研究所，首次发现电场控制下液态金属与水的复合体可在各种形态及运动模式之间发生转换的基本现象，相应研究在线发表于Advanced Materials(先进材料)上，并被选为封面文章。论文题为Diverse Transformations of Liquid Metals Between Different Morphologies(不同构象之间的液态金属多变形性)。文章共同第一作者为医学院博士后盛磊和2012级博士生张洁，通讯作者为刘静教授。

　　此项工作源于团队长期以来在液态金属领域不断研究推进中的偶然发现，论文通过系统的实验，揭示出室温液态金属具有可在不同形态和运动模式之间转换的普适变形能力。比如，浸没于水中的液态金属对象可在10V左右的低电压作用下呈现出大尺度变形、自旋、定向运动，乃至发生液球之间的自动融合、断裂-再合并等行为，且不受液态金属对象大小的限制;较为独特的是，一块很大的金属液膜可在数秒内即收缩为单颗金属液球，变形过程十分快速，而表面积改变幅度可高达上千倍;此外，在外电场作用下，大量彼此分离的金属液球可发生相互粘连及合并，直至融合成单一的液态金属球;依据于电场控制，液态金属极易实现高速的自旋运动，并在周围水体中诱发出同样处于快速旋转状态下的漩涡对;若适当调整电极和流道，还可将液态金属的运动方式转为单一的快速定向移动。研究表明，造成这些变形与运动的机制之一在于液态金属与水体交界面上的双电层效应。以上丰富的物理学图景革新了人们对于自然界复杂流体、软物质特别是液态金属材料学行为的基本认识。应该说，这些超越常规的物体构象转换能力很难通过传统的刚性材料或流体介质实现，它们事实上成为用以构筑可变形智能机器的基本要素，为可变形体特别是液体机器的设计和制造开辟了全新途径。

　　由于上述发现的科学突破性和实际应用价值，研究小组在2014年1月间将部分工作以“液态金属变形体”(Liquid Metal Transformers)为题公布于物理学预印本网站arXiv时，很快就在国际上引起重大反响及广泛热烈的讨论，一度被多达上百个科学或专业英文网站予以专题报道和评介;最近，我国CCTV新闻频道等也以“我国科学家获得液态金属研究新突破”为题对系列进展进行了专题报道。业界普遍认为，这一“液体机器预示着柔性机器人的新时代”(liquid machines promise new era of soft robots)，“这些先驱性工作或让液体金属‘终结者’成真”(this might be about to change thanks to the pioneering work)，有关军事网站还以“中国正在测试自我打印机器人”为题进行了报道;而《Advanced Materials》的几位审稿人在评阅论文时，认为所揭示的现象“令人着迷”(fascinating)，“注定会成为重要的研究领域”(bound to be an important field of study)。无独有偶，2014年3月初，一组来自澳大利亚的科学家们也在美国科学院院刊(PNAS)上报道了利用电控下浸没于NaOH溶液中的液态金属微球的旋转效应来驱动流体的工作，同样引起较大反响，这些工作均展示出液态金属技术的独特魅力。

　　众所周知，在自然界，实现能在不同形态之间自由转换的可变形柔性机器，以执行常规技术难以完成的更为特殊高级的任务，是科学界与工程界长久以来的梦想，相应研究在军事、民用、医疗与科学探索中极具重大理论意义和应用前景。比如，在抗震救灾或军事行动中，此类机器人应能根据需要适时变形，以穿过狭小的通道、门缝乃至散布于建筑物中的空隙，之后再重新恢复原形并继续执行任务。事实上，在医学实践中，研制可沿血管包括人体自然腔道运动，以承担各种在体医学服务的柔性机器人，早已成为非常现实的科学目标。显然，在最为高级的机器人中，具备可变形性和柔性特征是极为关键的一环。美国国防先进技术研究署(DARPA)、军队研究办公署(US Army Research Office)等就曾为此资助了有关探索，旨在寻找可改变材料形状的技术，以构建出对应的机器人设计蓝图。业界普遍认为，一旦这样的技术得以实现，其对人类活动所作出的贡献，将远远超过现有的机器人。不过，由于受到来自材料特别是技术理念的限制，有关研究尚处于积极的推进之中。

　　当前，机器人普遍作为一种刚体机器发挥作用，这与自然界中人或动物有着平滑柔软的外表以及无缝连接方式完全不同。柔性机器作为新的发展前沿，已促成多类型机器人的发明，但离理想中的高级机器所应拥有的柔软和普适变形能力还有很大距离。回顾以往人类所构想过的各种先进机器雏形，最让人印象深刻者莫过于美国好莱坞影片《终结者》中始终不能被击败的液态金属机器人，这种可以改变外表形状，呈现各种造型，未来色彩极为浓厚的机器，虽纯属科学幻想，却使人类对机器人的概念有了重大改变。刘静小组的上述发现，为可变形材料特别是液体机器的设计和制造迈出了关键性的一步，一定程度上从理论和技术的层面论证了实现液态金属机器人的可能性;事实上，该研究已打开了系列已趋现实的应用范畴，如制造柔性执行器，控制目标流体或传感器的定向运动、金属液体回收，以及用作微流体阀、泵或更多人工机器等。若采用空间架构的电极控制，还可望将这种智能液态金属单元扩展到三维，以组装出具有特殊造型和可编程能力的仿生物或人形机器;甚至，在外太空探索中的微重力或无重力环境下，也可发展对应的机器来执行相应任务。

　　总的说来，作为一大类新兴的功能材料，液态金属拥有许多常规材料不易具备的属性，蕴藏着诸多以往从未被认识的新奇物理特性，为若干科学与技术探索提供了丰富的研究空间。今后，研究小组还将继续围绕可变形机器这一重大基础前沿和战略需求，融合液态金属材料、生物学、机器人、流体力学、电子、传感器以及计算机等学科的知识，系统发展可变形室温液态金属机器的理论与技术体系，全面揭示室温液态金属超常的构象转换、变形与运动机理及调控方法，以期为未来研发尖端柔性机器并开辟全新应用创造条件，最终促成可变形机器从理论到应用技术上的全面突破。